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                  未来医疗基于MATLAB、信号处理、机器学习和深度学习算法的进步

                  2020年09月09日 12:51 ? 次阅读
                  驱动力 | 揭开人工智能和机器学习在医学应用的神秘面纱

                  经美国食品药品监督管理局(FDA)批准后,第一批可穿戴式数字健康监测仪目前刚刚上市,并集成在诸如智能手表之类的消费产品中。医学传感器技术的不断快速发展,使得小巧、经济且精度越来越高的生理传感器被应用在现有的可穿戴设备中。

                  前沿的机器学习和人工智能算法正是这种转变的驱动力之一,它们能够从海量数据中提取和解读有价值的信息。这些数据往往包含噪声和不太完美的信号(比如智能手表上的心电图数据),并被各种伪信号所破坏,传统算法常常是基于规则和确切性的,因此难以妥善处理这类数据。

                  直到最近,解开这些传感器发出的生理信号中的秘密,并做出足够准确的决策,从而被申报监管机构接受仍然非常困难,有时甚至是不可能的。而机器学习和人工智能算法的进步,正使得工程师和科学家能够克服许多这样的挑战。

                  通过这篇文章,让我们一同来仔细看看生理信号处理算法的总体架构,理解背后的运算过程,并将其转化为经过数十年研究建立起来的现实中的工程技术。

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                  机器学习算法的开发主要包括两个步骤(图 1)。

                  第一步是特征工程,从相应的数据集中提取特定数值/数学特征。

                  第二步,将提取的特征输入一个广为人知的统计分类或回归算法,如支持向量机或适当设定后的传统神经网络(训练好的模型可用于对新的数据集进行预测)。利用一个合理标记过的数据集对该模型进行迭代训练,在达到令人满意的准确度后,就可以在生产环境中作为预测引擎在新数据集上使用。

                  1

                  图 1. 典型的机器学习工作流程包括训练和测试阶段。

                  那么,对于心电信号的分类问题,这个工作流程是如何实现的呢?

                  在本案例中,我们采用了 2017 年的 PhysioNet Challenge dataset,其中使用了真实的单导联心电图数据。目标是将病人的心电信号分为四类:正常、房颤、其他心律和杂音过多。

                  MATLAB 中处理这个问题的整个流程和各个步骤如图 2 所示。

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                  图 2. MATLAB用于开发心电信号分类的机器学习算法的工作流程。

                  预处理和特征工程

                  特征工程可能是开发一套鲁棒的机器学习算法中最难的部分。这类问题不能简单地视为“数据科学”问题,因为在探究解决方法时,掌握生物医学工程领域的专业知识,了解不同类型的生理信号和数据非常重要。

                  MATLAB 等工具为领域专家提供了数据分析和高级机器学习功能,使他们能够更容易地将“数据科学”功能(如高级机器学习功能)应用于他们正在解决的问题,从而专注于特征工程。在本例中,我们使用先进的小波技术对信号进行处理,以去除数据集中的噪声和渐变趋势,如呼吸伪影,并从信号中提取各种需要关注的特征。

                  开发分类模型

                  统计和机器学习工具箱中的分类学习应用程序,对于对机器学习不太熟悉的工程师和科学家来说,是一个特别有效的切入点。

                  一旦从信号中提取到足够多实用的相关特征,我们就能使用这个应用程序来快速探究各种分类器及其性能,从而缩小模型选择范围,用于进一步优化。这些分类器包括决策树、随机森林、支持向量机和 K 近邻(KNN)。您能够尝试并选择出能够为特征集提供最佳分类性能的策略(通常使用混淆矩阵或 AUC 等指标进行评估)。在示例中,我们只采用这种方法就快速实现了所有类别约 80% 的总体准确率(本次比赛的获奖项目得分大约为 83%)。注意,我们没有在特征工程或分类器调试上花费太多时间,因为重点是验证方法。

                  通常,花时间进行特征工程和分类器调试,可以显著提高分类准确度。深度学习等更先进的技术也可以应用于此类问题,其中,特征工程、特征提取和分类步骤会被整合到单一训练步骤中,然而与传统的机器学习技术相比,这种方法通常需要大很多的训练数据集,以达到期望的效果。

                  挑战、法规和对未来的承诺

                  虽然许多常见的可穿戴设备还不能完全取代 FDA 批准并经医学验证的对应设备,但所有的技术和消费趋势都明确地指向这个方向。FDA 已经开始在多方面积极发挥作用,例如简化法规,通过诸如“数字健康软件预认证计划”这样的举措,鼓励管理科学的发展,和设备开发的建模仿真等。

                  人们希望,将从日常可穿戴设备中收集到的人体生理信号转换为一种新型数字生物标记,以全面反映我们的健康状况。如今,这一愿景比以往任何时候都更加真实,这在很大程度上要归功于信号处理、机器学习和深度学习算法的进步。MATLAB 等工具所支持的工作流程,使医疗设备领域的专家,在即使不成为数据科学家的情况下,也能够采取并利用机器学习等数据科学技术。

                  关于作者

                  Arvind Ananthan 是 MathWorks 的全球医疗器械行业经理。他与医疗设备工程师、该领域的学术研究人员以及包括 FDA 在内的监管机构密切合作,以理解并解决该行业在建模、仿真和数据分析领域面临的挑战和需求。他担任过各种技术和业务角色,拥有超过 15 年的从业经验。

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                  LX1970是一种新技术灯具有光谱响应的传感器模仿人眼。这个设备是监视的理想设备亮度控制用环境光平板显示器中的系统...
                  发表于 2020-09-08 17:44? 101次阅读
                  一种新技术灯具有光谱响应的传感器

                  Google Cloud已达成一项新协议

                  Google的团队将负责向国防部交付增强现实显微镜,并为国防部临床医生提供旨在改善癌症检测能力的AI....
                  发表于 2020-09-08 17:38? 1136次阅读
                  Google Cloud已达成一项新协议

                  TCL在IFA 2020期间推出了其QLED 2...

                  TCL QLED Pro X10的新颖之处在于,在传统QLED的旁边有一个Mini-LED面板,该品....
                  发表于 2020-09-08 17:35? 146次阅读
                  TCL在IFA 2020期间推出了其QLED 2...

                  解析CCD与CMOS图像传感器的区别

                  与CCD相比,CMOS具有体积小、耗电量低、售价较低的优点。与CCD产品相比,CMOS是标准工艺制程....
                  发表于 2020-09-08 17:13? 329次阅读
                  解析CCD与CMOS图像传感器的区别

                  2020年第二季度医疗健康领域投资趋势

                  报告显示,2020 年第二季度医疗健康领域交易量与第一季度相比增长近 6%,交易金额创历史新高,达到....
                  发表于 2020-09-08 16:41? 95次阅读
                  2020年第二季度医疗健康领域投资趋势

                  传感器的关键性能参数

                  最为基本的特性参数有:量程、灵敏度、线性度、迟滞、重复性、精度、分辨率、零点漂移、带宽,本文将对这些....
                  发表于 2020-09-08 16:36? 81次阅读
                  传感器的关键性能参数

                  GPT-3或许真的会让部分“文字工作者”面临失业

                  GPT-3 由世界领先的 AI 研究公司 OpenAI 开发,它有 1750 亿个参数,使用了 45....
                  发表于 2020-09-08 16:28? 78次阅读
                  GPT-3或许真的会让部分“文字工作者”面临失业

                  中国人工智能产业发展趋势解读

                  5G技术提供了万物互联的技术基础,IoT提供了数据基础,VR/AR带来了全新的交互体验,这些技术的发....
                  发表于 2020-09-08 16:19? 224次阅读
                  中国人工智能产业发展趋势解读

                  美国开发新型传感器系统帮助无人机识别电力线

                  然而,现有的系统体积庞大、价格昂贵、耗电量大。它们也有很大的技术局限性,取决于部署的地点、时间和方式....
                  发表于 2020-09-08 16:15? 152次阅读
                  美国开发新型传感器系统帮助无人机识别电力线

                  如何通过串行到以太网连接器软件的远程PLC访问

                  PLC或可编程逻辑控制器是通常用于监视和控制工业制造操作的一种计算机。该设备,可称为可编程控制器,对于识别工...
                  发表于 2020-09-08 16:14? 0次阅读
                  如何通过串行到以太网连接器软件的远程PLC访问

                  2021年物联网趋势将会对全球各行业产生哪些影响...

                  物联网支持的预测性维护解决方案能够通过收集超声波和振动传感器的数据来帮助企业预测潜在的损害。这在制造....
                  发表于 2020-09-08 16:11? 472次阅读
                  2021年物联网趋势将会对全球各行业产生哪些影响...

                  TensorFlow 2:专为性能和易用性而设计

                  在今年早些时候举行的 TensorFlow 开发者峰会上,我们着重介绍了 TensorFlow 2 ....
                  发表于 2020-09-08 16:02? 54次阅读
                  TensorFlow 2:专为性能和易用性而设计

                  上海移动在5G全球创新港内展示5G远程驾驶应用测...

                  上海移动致力于建设世界一流的新型基础设施,不断加快5G与人工智能、物联网、云计算、大数据、边缘计算等....
                  发表于 2020-09-08 15:59? 143次阅读
                  上海移动在5G全球创新港内展示5G远程驾驶应用测...

                  边缘计算和边缘AI为何重要?

                  边缘AI是指在硬件设备上本地处理的AI算法,可以在没有网络连接的情况下处理数据。这意味着可以在无需流....
                  发表于 2020-09-08 15:35? 164次阅读
                  边缘计算和边缘AI为何重要?

                  张建明:5G联合创新中心打造国内领先的5G生态开...

                  “5G作为‘新基建’之首,不仅为数据中心、人工智能和工业互联网等其他新型基础设施提供重要网络支撑,而....
                  发表于 2020-09-08 15:21? 193次阅读
                  张建明:5G联合创新中心打造国内领先的5G生态开...

                  博扬智能分析 大于24V的接近开关可以使用直流电机吗

                  大于24V的接近开关,可以使用直流电机吗? 可以的。接近开关是一种无需与运动部件进行机械直接接触而可以操作的位...
                  发表于 2020-09-08 11:42? 0次阅读
                  博扬智能分析 大于24V的接近开关可以使用直流电机吗

                  博扬智能:电容式传感器的电路转换原理分析

                  电容式传感器的电路转换原理 电容器就是由两个相互不导通的金属板组成,两金属板称为电容器的极板,电容器极板之...
                  发表于 2020-09-08 11:34? 0次阅读
                  博扬智能:电容式传感器的电路转换原理分析

                  发动机凸轮轴转速传感器故障问题讲解

                  发动机控制模块接收该信号用作同步脉冲,按适当顺序触发燃油喷射器。发动机控制模块利用凸轮轴位置传感器信号指示做功...
                  发表于 2020-09-08 11:30? 0次阅读
                  发动机凸轮轴转速传感器故障问题讲解

                  Matlab 中 Simulink 模拟生成 DSP 代码

                  关于 DSP 代码生成功能,在 Matlab 2013 以后的版本中被取消了。如果想在 2013 以后的版本中使用这个功能,需要下...
                  发表于 2020-09-08 11:06? 0次阅读
                  Matlab  中 Simulink 模拟生成 DSP 代码

                  请问一下labview使用.net技术调用matlab函数出现下面报错是什么原因。

                  报错说我matlab函数第27行出错,我27行是利用syms定义一下变量,请问一下这是什么原因。 就是我这个matlab函数的自变...
                  发表于 2020-09-07 21:44? 0次阅读
                  请问一下labview使用.net技术调用matlab函数出现下面报错是什么原因。

                  电池给传感器供电问题

                  我有一个传感器想用电池给他供电(电压在传感器的可接受范围内),那么我需要对电池出来的电压作什么样的处理,需要L...
                  发表于 2020-09-07 14:48? 83次阅读
                  电池给传感器供电问题

                  香橙派Orange Pi 4电脑开发板连接人体感应模块测试说明(Linux系统)

                  当有人进入其感应范围则输入高电平,人离开感应范围则自动延时关闭高电平。输出低电平 B.可重复触发方式: 即感应输...
                  发表于 2020-09-04 16:05? 0次阅读
                  香橙派Orange Pi 4电脑开发板连接人体感应模块测试说明(Linux系统)

                  安科瑞霍尔电流传感器,交直流信号输入隔离转换-安科瑞虞杨芳

                  霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换,通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被AD、...
                  发表于 2020-09-03 14:18? 0次阅读
                  安科瑞霍尔电流传感器,交直流信号输入隔离转换-安科瑞虞杨芳
                  欧美美女的白虎